스마트 워치의 파도가 몰아치고 있습니다. 애플이 애플 워치를 2015년에 출시할 것이라 예고하고, 올해 하반기엔 모토 360 등 안드로이드 웨어 기반의 스마트 워치가 등장하기 시작했습니다. 또 삼성도 자사의 스마트 워치를 갤럭시 기어 S로 진화시켰습니다. 스마트 워치의 제품 러시가 시작됐습니다. 앞으로 다가올 웨어러블 디바이스의 대란은 스마트 워치로 시작될 것이라 보입니다. 

웨어러블 시장의 급격한 확대를 예측하는 ARM

컴퓨텍스에서 ARM이 제시한 웨어러블 시장의 예측

그러나 이러한 스마트 워치를 사용하는 사용자의 대부분은 지금 몇가지 문제에 부딛힌 상태입니다. 우선 배터리가 부족합니다. 하루 한번 충전해야 하는 기종도 많습니다. 배터리가 무거워 손목에 찼을 때 느낌이 안좋은 기종도 있습니다. 이상적인 웨어러블 디바이스는 몸의 일부처럼 사용하며 배터리 충전도 거의 신경쓰지 않아야 하지만 현재의 고급형 스마트워치는 그렇지 못합니다.

배터리 사용 시간이 짧고 배터리 무게가 느껴지는 상황이다보니, 웨어러블 디바이스는 극소수의 매니아를 넘어 일반 소비자에게 보급할 정도는 아닐 가능성이 있습니다. 이건 해겨할 수 없는 문제일까요?

현재 스마트 워치에 들어가는 CPU의 코어를 제공하는 ARM은 이 문제를 해결할 수 있다고 말합니다. 현재 존재하는 대부분의 문제는 스마트폰에 쓰이는 모바일 SoC(System on a Chip)를 스마트 워치에 쓰기에 나타나는 것이라고 ARM의 James Bruce(Director of Mobile Solutions, ARM)는 지적합니다. 이 회사는 웨어러블에 최적화해 칩을 설계하면 1주에서 1개월까지도 배터리 구동이 가능할 것이라 말합니다. ARM은 자사의 기술 컨퍼런스인  ARM Techcon에서 이를 위한 구체적인 칩 설계 기법의 설명 세션인 Design Principles for Ultra-Low Power Wearable SoCs를 열었습니다.

문제가 쌓여 있는 웨어러블 디바이스의 개발

웨어러블 디바이스에는 여러가지 과제가 산적해 있습니다. 모바일과는 또 다른 성격의 도전으로 이런 것들을 설계하는 것은 매우 골치 아픈 문제입니다. ARM Techcon의 세션에서 제시한 과제는 크게 2개로 나눌 수 있다고 ARM의 Kinjal Dave(CPU Product Manager, ARM)가 설명했습니다. 이 슬라이드는 올해 10월에 열린 JEDEC의 Mobile Forum에서 제시된 슬라이드이지만 ARM Techcon에서도 거의 같은 슬라이드가 나왔습니다.

오른쪽의 파란색이 기술적인 문제인데 ARM의 Dave는 몸에 부착한다는 웨어러블의 특성상 패셔너블하지 않으면 안 되며 그러다보니 폼 펙터에도 여러 제약이 있고 설계가 어려워진다고 지적합니다. 그리고 패셔너블하고 가벼운 디바이스를 실현할 경우 가장 큰 문제는 배터리입니다. 배터리는 작고 가볍게 만들지 않으면 안 됩니다. "그 누구도 웨어러블을 매일 충전하고 싶진 않을 것입니다. 저만 하더라도 충전은 1주일~1개월에 한번 정도여야 한다고 생각합니다."라고 Dave는 말합니다.

소비 전력에는 인체의 온도도 관련이 있습니다. 몸에 달라붙는 경우가 많은 웨어러블 디바이스에선 온도를 낮추는 게 여느 모바일 디바이스 이상으로 중요합니다. 이는 스마트 워치뿐만 아니라 스마트 글래스에서도 마찬가지입니다.

왼쪽의 주황색 색상은 ARM이 Behavioral Challenges라 부르는 사용자의 사용법과 관련된 과제입니다. 여기에선 안경 형태의 디바이스를 공공 장소에서 써도 되는지를 이야기하고 있습니다. 또 모바일에서 중요한 가격에 대한 이야기도 있었습니다.

모바일과 큰 차이가 나는 전력 소비량의 기준

PC처럼 사용하는 스마트폰이나 태블릿은 하루 한번 충전이라 해도 받아들일 수 있습니다. 그러나 웨어러블 디바이스는 충전을 크게 생각하지 않않아도 될수록 좋습니다. 그럼 이렇게 되기 위해선 전력 효율이 모바일 디바이스보다 비약적으로 높아야 합니다.

위 슬라이드는 ARM Techcon에서 제시된 충전 빈도의 가이드입니다. ARM은 고성능 스마트 워치같은 범용 웨어러블 디바이스의 경우 일주일에 1번 정도, 활동량 모니터링처럼 단순한 기능의 웨어러블 디바이스라면 한달에 한번 빈도로 충전하는 수준이 되야 한다고 보고 있습니다. 문제는 이러한 웨어러블 디바이스는 스마트폰보다 무게와 용적이 작기에 넣을 수 있는 배터리의 용량도 한정된다는 것입니다. 

스마트폰이라면 3000mAh까지도 배터리를 넣을 수 있습니다.3.8V라면 11Wh를 넘는 대용량입니다. 그에 비해 스마트워치는 300~400mAh 정도가 고작입니다. 단순한 웨어러블 디바이스라면 150mAh 정도가 전부입니다. 웨어러블에선 배터리가 극단적으로 작아지지만 구동 시간은 오히려 늘려야 하는 상반된 문제를 해결해야 합니다.

스마트 워치의 경우 스마트 폰과 비교해서 1/10의 배터리 용량을 14배의 배터리 구동 시간(12시간 vs 1주일)을 실현하는 게 이상적입니다. 즉 단순 계산으로 스마트폰보다 140배의 전력 효율을 실현할 필요가 있습니다. 이것도 마케팅에서나 쓸만한 숫자 놀음이 아니라 정말 사용 가능한 스펙이어야 합니다. 그럼 어떻게 해야 이것이 가능해질까요?

ARM Techcon에서 제시된 전력 절약 사례

위 슬라이드처럼 칩의 구성, IP 구현, 소프트웨어를 웨어러블 디바이스에 최적화하면 전력 소비량을 1/10 정도로 줄일 수 있다고 ARM의 Dave는 설명합니다. 1/10으로 줄인다고 해도 여전히 모자라지만 웨어러블 디바이스는 모바일보다 훨씬 가벼운 작업을 하기에, 최적화를 거친 웨어러블 디바이스는 1주일의 구동이 가능합니다. 메인 시스템은 대기 상태를 지키고 서브 시스템만으로 대기에 필요한 작업을 하면 사용 시간이 더욱 늘어나게 됩니다. 

기존의 스마트워치와 칩 구성이 다른 고기능 스마트 워치

스마트 워치 자체는 이번에 애플과 안드로이드의 양대 진영이 내놓기 전에도 이미 있었습니다. 미국에선 Pebble Technology의 스마트 워치가 대표 적인 제품이었으며 소니도 출시한 바 있습니다. 그 이전에도 유럽과 미국에선 GPS와 맥박 모니터링 기능을 갖춘 스포츠 워치가 있었으며 여기에 기능을 계속해서 더하고 있었습니다. 하지만 지금의 고급형 스마트 워치는 스포츠 시계에서 진화한 스마트 워치와는 분명한 차이가 있습니다.

칩 하드웨어와 소프트웨어를 보면 그 차이는 명백합니다. 예를 들어 기본적인 기능을 제공하는 스마트 워치의 대표 제품인 Pebble Technology의 Pebble Steel에 들어간 칩 구성을 보면 이렇습니다. 코어 MCU는 STMicroelectronics의 STM32F205RE, CPU 코어는 Cortex-M3, 시스템 메모리는 내장 SRAM. 통신은 블루투스, 운영체제는 임베디드용 리얼타임 OS로 자주 쓰이는FreeRTOS를 확장한 Pebble OS입니다. 이 Cortex-M 계열+임베디드 OS의 조합이 단순 기능을 지닌 스마트 워치의 기본 구성입니다.

컴퓨텍스에서 나온 ARM의 웨어러블 프레스 세션 슬라이드. 기본적인 스마트 워치의 구성도를 보여주고 있습니다.

그에 비해 고급형 스마트 워치는 모두 Cortex-A 급스의 CPU 코어와 GPU 코어를 씁니다. OS는 안드로이드 웨어(또는 안드로이드), iOS, 타이젠이 대부분입니다. 위 슬라이드에선 안드로이드 웨어가 나오기 전에 안드로이드를 사용한 스마트워치인 Omate의 Omate TrueSmart를 예로 들었습니다. Omate TrueSmart에 들어간 SoC는 미디어텍의 MT6572로 듀얼 코어 Cortex-A7에 ARM Mali-400 MP1 GPU 코어 구성이며, 이 외에 외장형 DRAM과 NAND 플래시 메모리가 있습니다. 기본적인 구성이 스마트폰에 가까운 편이지요. 통신은 블루투스와 Wi-Fi에 가깝습니다.

이번에는 고기능 스마트 워치의 구성도

OS와 CPU/GPU는 밀접하게 관련돼 있습니다. 풍부한 OS의 UI와 애플리케이션을 위해 일정한 수준의 퍼포먼스급 CPU와 GPU가 필요하기 때문만은 아닙니다. 풍부한 OS 구동에 필수인 MMU(Memory Management Unit)를 탑재하는 ARM 코어가 Cortex-A 패밀리라는 점을 빼놓을 수 없습니다. MMU가 없는 Cortex-M에서는 다기능 OS를 가동시킬 수 없습니다.

기본적인 웨어러블 기기의 구성은 아래의 슬라이드를 참고하세요.

모바일 SoC를 도입한 고기능 스마트 워치

현재 고급형 스마트 워치에서 안드로이드처럼 풍부한 기능을 갖춘 OS를 기반으로 사용하는 제품은 스마트폰용 모바일 SoC를 저전압/저클럭으로 구동하고 있습니다. Omate TrueSmart의 MT6572도 전형적인 저가형 스마트폰을 위한 모바일 SoC입니다. 안드로이드 웨어 기반 스마트워치인 모토 360과 LG G 워치 R 등의 최신형 다기능 스마트워치에 들어간 SoC도 마찬가지입니다. 아래 ARM의 슬라이드를 보면 알 수 있겠지만 스냅드래곤 400과 OMAP3 등 익숙한 칩을 사용하고 있습니다. CPU 코어는 Cortex-A7/8로 1~1.2GHz 정도입니다.

안드로이드 웨어 기반 스마트 워치

이들은 모두 모바일에 최적화된 칩을 사용하며 웨어러블에 최적화된 칩을 사용하지 않았습니다. 모바일 APU를 저전압&저클럭으로 구동시켜 사용하다보니 웨어러블에서 불필요한 수준으로 높은 전력을 사용한다고 ARM은 지적하지만, 기존의 스포츠 워치를 비롯한 웨어러블 디바이스에 탑재된 Cortex-M 기반 MCU에선 고성능 스마트워치를 커버할 순 없습니다. 성능도 부족하고 MMU가 필요한 다기능 OS를 실행할 수 없기 때문입니다.

스마트 워치를 OS 별로 구분한 프리스케일의 슬라이드

그 때문에에 다기능 스마트 워치를 비롯해서 보다 수준 높은 웨어러블 디바이스를 커버하기 위해선 새로운 칩이 필요합니다. 간단하게 말하면 임베디드 MCU와 스마트폰 SoC 사이를 채워줄 칩이 필요합니다. 그런 칩은 지금까지 존재하지 않았으니 새로 개발할 필요가 있습니다. 이것이 지금의 상황입니다.

실제로 웨어러블과 IoT의 인기가 높아지면서 칩 제조사들은 그러한 미들 레인지 이상의 웨어러블 디바이스용 SoC를 개발하고 있습니다. ARM에 따르면 웨어러블 SoC는 유닛 구성이 다를 뿐만 아니라 CPU의 구성 옵션이나 셀 라이브러리, 트랜지스터의 게이트 전압 셀렉션 수준에서 전혀 다른 칩이라고 합니다.

Cortex-A 코어의 웨어러블 최적화 사례

Bruce는 웨어러블에 최적화한 칩을 탑재한 디바이스는 내년부터 등장할 것이라고 밝혔습니다. 즉 스마트 워치가 진가를 발휘하는 시점은 내년부터라 할 수 있겠습니다. 내년에 애플 워치가 전용 SoC를 사용한다면 이는 웨어러블에 최적화된 것일 가능성이 높습니다. 그럼 구체적으로 웨어러블 SoC는 어떤 모습일까요? 그건 다음에 올라올 글에서 소개하도록 하겠습니다. 

ARM Techcon에서 제시된 중급형 웨어러블 시스템 구성 예

중급형 웨어러블의 시스템 구성 예